高固体分环氧底漆的配方设计
王庆军1,孙光明1,孙文俊1,段洪东2 (1.山东齐鲁漆业有限公司,山东聊城 252042; 2.齐鲁工业大学化学与制药工程学院,济南 250353)
0 前 言
环氧防腐涂料在防腐涂层中扮演了重要角色,其 中环氧底漆在钢结构防腐蚀中又以优异的耐水性和 耐盐水、附着力、防锈性能,广泛应用于港口、码头、重 型机械、矿山机械、电力机械、化工设备、水利工程等 钢铁结构,作防锈底漆之用。 常用的环氧涂料的体积固体分为50%~60%,该 类涂料使用中等分子量环氧树脂,涂膜的防腐性能 好,施工性能好,综合性能优异,曾被广泛地应用。但 是这类涂料的体积固体分偏低,VOC含量高,不能满足现在的要求。 中国涂料工业协会于2018年5月1号发布了T/ CNCIA 01005—2018《低VOCs含量高固体分、超高固 体分和无溶剂环氧涂料定义》,规定了以下技术标准, 见表1。 针对以上要求,本文研制开发了高固体分环氧底漆。
1 实验部分
1.1 主要原材料
YPE-6101环氧树脂,上海元邦;JT-312改性树脂,上海经天;425目滑石粉,工业品;磷酸锌,广西三晶科 技;X-800防锈粉,常州众普;硅灰石粉,工业品;434膨 润土,海名斯-德谦;JT-3115改性酚醛胺环氧固化剂, 上海经天;环氧溶剂[m(二甲苯)∶m(丁醇)=7∶3],工 业品。
1.2 高固体分环氧底漆基本配方(见表2)
1.3 制备工艺
先加入配方量的混合溶剂,加入YPE-6101环氧树 脂溶解完毕然后加入JT-312树脂、钛白粉、磷酸锌、滑 石粉、硅灰石粉进行高速分散,再加入434膨润土,高 速分散,然后砂磨至细度≤40 μm,搅拌均匀后,过滤, 灌装制成底漆组分。 在搅拌罐中加入配方量的腰果油改性胺固化剂 和混合溶剂后,充分搅拌均匀后,过滤,灌装制成固化 剂组分。
1.4 产品性能
将底漆组分与固化剂组分按照质量比100∶16.6 混匀,充分搅拌后,按照T/CNCIA 01005—2018《低 VOCs含量高固体分、超高固体分和无溶剂环氧涂料 定义》及HG/T 4566—2013《环氧树脂底漆》中的金属 基材用产品通用底漆标准测试性能,测试结果见表3。
2 配方设计及分析
2.1 树脂的选择
环氧树脂分子结构中含有大量的羟基基团及醚 键,环氧涂膜固化后,这些具有强极性的羟基基团与 基材表面的金属原子反应形成化学键,从而使涂层和 基材有了良好的附着力。 低分子量的双酚A环氧树脂YPE-6101,环氧值较 高,交联密度大,固化后的涂膜的致密性强,耐腐蚀性 提高。然而干膜有点偏脆,要添加增韧剂。 JT-312树脂为长碳链羰基化合物,技术参数见表 3,可以降低涂料组分的黏度;对颜填料的润湿性良 好,提高颜填料的使用量;主要是能大量替代环氧树 脂(环氧树脂价格可能长期在高位,比JT-312价位高), 减少固化剂用量;增韧明显,改善液体环氧树脂的柔 韧性;相对于其他非活性的稀释剂,对干性的影响小。 表4是不同比例JT-312树脂添加量对底漆耐盐雾、附 着力的影响。
由表5可见,随着JT-312树脂用量的增加,涂膜的 耐盐雾性降低,而附着力提高。当m(YPE-6101环氧树 脂)∶m(JT-312树脂)为1∶0.45时,涂膜的综合性能最 佳,因此确定其配比为1∶0.45。
2.2 固化剂的选择
环氧防腐涂料最常用的固化剂为650聚酰胺,其 涂层的综合性能优良,但黏度大,需要的稀释剂较多, 并且施工中需要一定的活化期,低温环境下固化性能 较差,一般需要反应温度在10 ℃以上。而改性酚醛胺 固化剂JT-3115,具有低温下(0~5 ℃)快速固化、低表 面处理(带锈、带湿表面)、操作期长、防腐性能优异等 特点。 腰果壳油-环氧固化重防腐体系所具有的化学性能和技术特点是因为所有的腰果壳油衍生物都带有 不饱和双键的碳15直链取代酚。
含不饱和双键的碳15直链,给体系提供了优异的 憎水性和低渗透性,它同时降低了体系的表面能和黏 度,从而增大体系的流动性和对底材的渗透性,有利 于提高体系对底材的黏合力。长直链不但给体系提供 了良好的内增韧效果,而且对体系的固化反应有初始 的空间位阻效应,从而使体系特别是对高固含量的体 系在快速固化的同时仍有良好的操作期。不同类型固 化剂对涂层性能的影响见表6。
由表6可见,JT-3115固化剂的性能优异,从而确定 本配方使用JT-3115固化剂。 固化剂的理论用量(100 g环氧树脂)=环氧值×活 泼氢当量(改性酚醛胺),两个组分的配比是按环氧树 脂与改性酚醛胺的物质的量比(当量比)计算的。不同 的当量配比对干膜的性能影响见表7。 由表7可以看出,环氧树脂和改性酚醛胺当量比 为1∶1配比时性能最优异。
2.3 颜填料的选择
经过实验,本文选择环境友好无毒的磷酸锌作为 防锈剂。磷酸锌可以水解生成氢氧化锌及二代磷酸盐 离子,这些水解产物形成附着和阻蚀络合物,可使金属底材表面磷化,形成在阳极范围内特别有效的保护 层。白色凝胶状氢氧化锌和底材具有很好的附着力。 磷酸锌不同添加量对耐盐雾的影响见表8。
由表8可见,磷酸锌5%的添加量即可满足要求, 添加量大了成本提高,性能也提高。确定本配方磷酸 锌的最佳添加量为5%(质量分数,后同)。 滑石粉其主要成分为水合硅酸镁,为白色鳞片状 结晶,并含有纤维状物,密度2.7~2.8 g/cm3,化学性质 不活泼。滑石粉的片状结构对其应用具有决定性的影 响。由于延长了腐蚀物质的扩散路径,改善防护效果, 且价位较低,可以降低成本。滑石粉添加量对耐盐雾 的影响见表9。
由表9可见,滑石粉添加量加大,耐盐雾指标下 降,确定本配方滑石粉的最佳添加量为30%。
硅灰石粉的主要成分为偏硅酸钙,理论组成是 CaSiO3,莫氏硬度4.5~5.0,相对密度2.8 g/cm3,它的 片状和纤维状结构,在涂膜中薄片相叠,增加了涂膜 的屏蔽性。硅灰石的吸油量低,具有很高的填充量,可 以降低成本。硅灰石粉不同添加量对耐盐雾的影响见 表10。
由表10可见,硅灰石粉添加量加大,耐盐雾指标 下降,确定本配方硅灰石粉的最佳添加量为15%。
3 结 语
筛选并使用YPE-6101环氧树脂和JT-312树脂复 配,腰果油改性胺JT-3115作为固化剂,添加磷酸锌作 为防锈剂,选用滑石粉、硅灰石粉等作为填料研制出 一种高固体分低VOC、符合T/CNCIA 01005—2018 《低VOCs含量高固体分、超高固体分和无溶剂环氧涂 料定义》和HG/T 4566—2013《环氧树脂底漆》标准的 环氧底漆。